De quoi sont faites les batteries des voitures électriques ?

Une batterie de VE est généralement composée de milliers de cellules lithium-ion rechargeables connectées ensemble pour former le bloc-batterie. Les cellules lithium-ion sont les plus populaires en raison de leur rentabilité, offrant le compromis le plus optimal entre la capacité de stockage d'énergie et le prix.

L'essor de la mobilité électrique et de la production de batteries pour véhicules électriques

Avec l'essor continu de la mobilité électrique, la demande de véhicules électriques (VE) et, par conséquent, de batteries de VE, est en plein essor. Cela soulève la question de savoir comment les fabricants de batteries peuvent répondre à cette demande croissante, et quels matériaux sont nécessaires pour produire une batterie de VE ?

Dans cet article, nous explorons en profondeur les matériaux utilisés pour les batteries de VE et le processus de fabrication. Nous mettrons également en lumière qui sont les principaux fabricants de batteries de VE et ce que l'écart croissant entre l'offre et la demande signifie pour l'avenir des batteries de VE.

De quoi sont faites les batteries de VE ?

Les batteries se présentent sous de nombreuses formes et tailles différentes. De la forme des cellules à leur chimie, les fabricants de véhicules électriques ont un certain nombre d'options de batterie. Avant de plonger dans les matériaux dont sont faites les batteries, il est d'abord important de comprendre les différents types de structures cellulaires physiques.

Les différents types de cellules de batterie

Il existe trois types de base de cellules de batterie utilisées dans les véhicules électriques : les cellules cylindriques, les cellules prismatiques et les cellules "pouch". 

1. Cellules cylindriques

Peut-être le format le plus couramment utilisé, les piles cylindriques sont, comme leur nom l'indique, autonomes dans un boîtier cylindrique qui leur confère une résistance aux chocs mécaniques - très similaire à vos piles alcalines AA ou AAA domestiques typiques.

En raison de la durée d'utilisation de ce format, les cellules cylindriques sont les plus rentables et les plus faciles à fabriquer. Cela dit, les cellules cylindriques peuvent être quelque peu limitées dans leur puissance de sortie, c'est pourquoi les véhicules électriques avec des batteries plus petites utilisent souvent des cellules prismatiques ou "pouch".

2. Cellules prismatiques

Contrairement aux cellules cylindriques, qui sont assez petites (environ la taille d'une pile AA), les cellules prismatiques peuvent être jusqu'à 20 à 100 fois plus grandes. Parce qu'elles utilisent moins de matériau pour le boîtier, les cellules prismatiques peuvent stocker plus d'énergie et fournir une puissance plus élevée, tout en gérant mieux la chaleur que les cellules cylindriques.

Bien que moins populaires que les cellules cylindriques, leur utilisation n'a cessé de croître et elles pourraient prendre une part importante du marché dans les années à venir.

3. Cellules "pouch"

Les cellules "pouch" sont enfermées dans un boîtier en plastique souple, ce qui les rend très efficaces en termes d'utilisation de l'espace. Cela dit, leur boîtier fragile signifie qu'ils nécessitent généralement une protection supplémentaire pour éviter d'endommager mécaniquement les cellules.

Quels matériaux sont les plus populaires à utiliser pour les batteries de VE ?

Au-delà de leur format, les cellules de batterie de VE varient également en fonction de leur chimie, c'est-à-dire des matériaux qu'elles décident d'utiliser pour stocker l'électricité.

Alors que le lithium-ion (Li-ion) a tendance à être le plus largement utilisé en raison de son coût relativement faible et de sa capacité à stocker une énergie élevée, il existe d'autres chimies de batterie populaires.

Le nickel manganèse cobalt (NMC) et le nickel métal hydrure (Ni-MH) étaient populaires au début des véhicules électriques grâce à leur coût abordable, leur longue durée de vie et leur capacité relativement élevée. Les hybrides plus anciens, comme la Toyota Prius et le RAV4, utilisaient couramment des batteries NMC ou Ni-MH.

L'un des plus anciens types de batteries utilisées dans les voitures sont les cellules au plomb. Des décennies avant même d'être utilisées dans les véhicules électriques, les batteries au plomb étaient - et sont toujours - utilisées dans les véhicules à essence pour alimenter leur allumage.

Contrairement à la plupart des autres types de batteries de véhicules électriques, les cellules au plomb peuvent être facilement réparées et remplacées par des mécaniciens automobiles et nécessitent généralement très peu d'entretien. Cela dit, ils ne peuvent pas stocker autant d'énergie que les autres types de cellules, ce qui les rend peu pratiques pour alimenter des véhicules électriques plus gros.

De quoi sont faites les batteries lithium-ion ?

Il n'est pas surprenant que les batteries lithium-ion contiennent du lithium. Mais vous êtes-vous déjà demandé quels autres matériaux sont nécessaires pour fabriquer une batterie Li-ion ?

La création d'une batterie lithium-ion nécessite de nombreuses couches. Comme les autres batteries, les batteries li-ion ont une cathode chargée positivement, une anode chargée négativement et un électrolyte qui les sépare. La cathode est généralement fabriquée à partir d'un mélange de lithium, de nickel, de cobalt et de manganèse, tandis que l'anode est le plus souvent fabriquée à partir de graphite.

Enfin, les cellules individuelles sont enfermées dans un boîtier en aluminium ou en acier qui maintient la batterie ensemble et la protège contre les dommages mécaniques.

Quels sont les composants nécessaires à une batterie ?

Au-delà des matières premières qui composent ses cellules, une batterie de VE a besoin de beaucoup plus de composants matériels et logiciels pour la rendre fonctionnelle. Examinons les principales caractéristiques d'une batterie de VE.

Réseau de modules de batterie

Le réseau de modules de batterie est le terme technique qui fait référence aux composants de stockage d'énergie de la batterie. Cela inclut les cellules mentionnées précédemment, qui sont regroupées en modules, chacun contenant un nombre spécifique de cellules câblées ensemble. Ces modules sont ensuite connectés pour former le bloc-batterie complet final (ce à quoi la plupart des gens se réfèrent généralement lorsqu'ils parlent d'une batterie de VE).

Le BMS : Battery management System

Le BMS d'un véhicule électrique est peut-être la partie la plus fondamentale de sa batterie. Il contrôle chaque aspect de la batterie et garantit son fonctionnement optimal. En effet, il surveillera et régulera le niveau de charge de chaque cellule, décidera quelles cellules charger ou décharger et suivra la température de la batterie.

Si la batterie fonctionne anormalement, le BMS peut automatiquement ajuster la consommation d'énergie pour protéger la batterie et, si nécessaire, alerter le conducteur.

Le système électrique de la batterie

Le système électrique de la batterie fait référence à tous les câbles, connexions, fusibles et autres composants électriques nécessaires au fonctionnement d'une batterie de VE. Il est conçu pour résister à des tensions élevées et est généralement intégré au système de gestion de la batterie pour gérer efficacement chaque cellule.

Système de refroidissement de la batterie

Tout comme la batterie de votre téléphone ou de votre ordinateur portable, les batteries de VE chauffent aussi chauffe avec l'utilisation. En raison de leur taille, les batteries des voitures électriques peuvent produire beaucoup de chaleur qui doit être dissipée – c'est la responsabilité du système de refroidissement de la batterie. En règle générale, il s'agit d'un liquide de refroidissement scellé qui peut évacuer la chaleur des cellules de la batterie et la dissiper dans l'air.

Battery Protection Case

Enfin, la batterie a besoin d'une structure physique pour maintenir tous ses composants ensemble. C'est le rôle du boîtier de protection de la batterie. Si sa fonction peut être simple, sa conception doit assurer son étanchéité, sa résistance aux chocs et ses vibrations diverses, ce qui rend son ingénierie bien plus complexe qu'il n'y paraît.

Qui les fabrique ?

Étant donné que la production de batteries pour véhicules électriques est une activité à forte intensité de ressources et de capitaux, la majeure partie de la production mondiale de batteries est concentrée entre les mains de quelques entreprises.

Le premier fabricant mondial de batteries pour véhicules électriques est CATL (Contemporary Amperex Technology Co. Limited), une société chinoise qui détient environ 34 % de la part de marché totale des batteries pour véhicules électriques. Ce n'est pas surprenant étant donné que la Chine détient 70 % de la capacité de production de cathodes et 85 % d'anodes et que plus de la moitié des minéraux bruts utilisés pour fabriquer une batterie de VE proviennent également de Chine.

Le deuxième plus grand fabricant est LG Energy Solution, qui détient 14 % de part de marché. Récemment, ils ont annoncé un partenariat avec Honda pour investir 4,4 milliards de dollars dans la construction d'une usine de fabrication de batteries pour véhicules électriques aux États-Unis, qui devrait commencer la production vers 2025.

Le troisième fabricant mondial est BYD, une entreprise chinoise avec 12 % de part de marché. Contrairement à bon nombre de ses concurrents, BYD est également un fabricant de véhicules électriques, ce qui signifie qu'il peut satisfaire la majorité de ses propres besoins en batteries et en systèmes de véhicules électriques.

Les États-Unis, le Japon et la Corée constituent le reste du marché des batteries de VE, représentant respectivement 7, 11 et 14 % de la production mondiale de batteries de VE.

Il est clair que la Chine est l'acteur dominant dans la fabrication de batteries pour véhicules électriques. Alors que les États-Unis et l'UE tentent de développer la production grâce à leurs initiatives du secteur public, la Chine restera probablement le principal fournisseur de batteries pour véhicules électriques jusqu'en 2030 au moins.

Écart entre l'offre et la demande

Poussés par la croissance explosive de la mobilité électrique, les fabricants de véhicules électriques sont confrontés à des défis pour trouver les matières premières nécessaires à la fabrication d'un véhicule électrique, en particulier les batteries.

Depuis le début de 2020, le secteur automobile doit faire face à des pénuries continues de puces informatiques, qui continuent d'avoir un impact sur les prix et le coût de fabrication d'un VE. En plus des pénuries de lithium existantes, une autre pénurie de minéraux se profile, celle du graphite.

Le graphite est le composant principal de l'anode d'une batterie de VE, et les pénuries pourraient augmenter encore plus le prix de production des batteries de VE.

L'avenir des batteries de VE

Avec des nouvelles de pénuries et d'augmentations de prix à gauche et à droite, vous pourriez naturellement vous demander à quoi ressemble l'avenir des batteries de VE.

Au-delà de l'extraction de plus de matières premières, une voie prometteuse est le recyclage des batteries EV, qui récupère de nombreux minéraux des anciennes batteries et les réutilise pour la production de nouvelles batteries. Non seulement cela peut atténuer bon nombre des pénuries actuelles, mais cela rend également la production de batteries de véhicules électriques beaucoup plus durable.

Outre le recyclage, de nouvelles recherches promettent d'améliorer les performances des batteries de véhicules électriques, en les rendant plus efficaces et, par conséquent, en utilisant moins de matières premières.

La fabrication de batteries pour véhicules électriques est un processus complexe qui utilise des matériaux de plus en plus rares et tire parti d'une expertise que peu de fabricants possèdent. Cela dit, les progrès du recyclage des batteries et de la recherche sur des batteries plus efficaces, combinés aux efforts politiques visant à stimuler la production dans le monde, devraient garantir que les batteries pour véhicules électriques restent abordables et disponibles pour les années à venir.

Si vous souhaitez en savoir plus sur les batteries de VE, consultez nos articles dédiés à leur coût ou à la manière dont elles peuvent être recyclées.